第十一章 智能材料与结构

1、1 第十一章第十一章 智能材料与结构智能材料与结构 智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一门新兴起的多学科交 叉的综合科学。80年代后期，随着材料 技术和大规模集成电路的进展，美国军 方提出了智能材料与结构的设想和概念， 并开展了大规模的研究。智能材料与智 能结构系统是近年来飞速发展的一个领 域，这一领域的研究也越来越受到人们 的重视。 2 自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于 “智能材料结构和数学问题”专题学术 讨论会以来，智能材料系统的研究成为 材料科学与工程的热点之一，有人甚至 称21世纪是智能材料的世纪，目前美国 已有

2、几十家公司经营智能材料结构的产 品。人们之所以如此关注智能材料系统 是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、 飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、 形状自适应控制、损伤自愈合等方面具 有良好的应用前景。 3 第一节 智能材料的概念及分类 智能材料结构的诞生有着一定的背景。80年代末 期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度 变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地 融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途， 同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成 技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。 材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作 等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、 总线技术及计

3、算机技术的飞速发展，解决了信息 处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材 料结构的出现提供了有利条件。 4 1.1智能材料的概念及其特点 智能材料系统和结构的有关名称定义目 前尚不统一，但一般智能材料系统都应 该具有敏感、处理、执行三个主要部分。 一般来说，智能材料是能够感知环境变 化(传感或发现的功能)，通过自我判断 和自我结构(思考和处理的功能)，实现 自我指令和自我执行(执行功能)的新型 材料。 5 该材料具有模仿生物体的自增值性、自 修复性、自诊断性、自学习性和环境适 应性。将具有仿生命功能的材料融合于 基体材料中，使制成的构件具有人们期 望的智能功能，这种结构称为智能材料 结构。它

4、是一个类似于人体的神经、肌 肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材 料就相当于人体的骨骼。 6 而智能材料是能够感知环境变化，通过 自我判断和结论，实现和执行指令的新 型材料。智能材料的研究就是将信息与 控制融入材料本身的物性和功能之中， 其研究成果波及了信息、电子、生命科 学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的 研究开发孕育着新一代的技术革命。智 能化将成为21世纪高分子材料的重要发 展方向之一。 7 例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化 合物半导体控制电路埋入复合材料中， 光导纤维是传感元件，能检测出结构中 的应变和温度，形状记忆合金能使结构 动作，改变性状，控制电路根据传感元 件得到的信息驱动元件

5、动作。因此融合 于材料中的传感元件相当于人体的神经 系统，具有感官功能，驱动元件相当于 人体的肌肉，控制系统相当于人的大脑。 智能材料与普通功能材料的区别如图11 1所示。 8 1.2 智能材料分类 智能材料的分类方法很多。根据材料的 来源，智能材料包括金属智能材料无机 非金属系、智能材料及高分子系智能材 料。 9 金属系智能材料由于其强度比较大耐热 性好且耐腐蚀性能好，常用在航空航天 和原子能工业中作为结构材料。金属材 料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变 变形而损伤，所以期盼金属系智能材料 不但可以检测自身的损伤，而且可将其 抑制，具有自修复功能，从而确保使用 过程中的稳定性。目前研究开发的

6、金属 系智能材料主要有形状记忆合金和形状 记忆复合材料两大类。 10 无机非金属系智能材料的初步智能性是 考虑局部可吸收外力以防止材料整体变 坏。目前此类智能材料在电流变流体、 压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方 面发展较快。 高分子系智能材料的范围很广泛。作为 智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研 究和开发非常活跃，其次还有智能高分 子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药 物释放体系和智能高分子基复合材料等。 根据结构来分，智能材料结构可以分成 两种类型，分述如下： 11 （1）嵌入式智能材料 在基本材料中嵌入具有传感、动作和控 制处理功能的三种原始材料，传感元件 采集和检测外界给予的信息，控制处

7、理 器指挥驱动元件执行相应的动作。 12 （2）材料本身具有一定的智能功能 某些材料微结构本身具有智能功能，能 够随着环境和时间改变自己的性能，例 如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的InP 半导体等。 13 第二节 智能材料结构的信息处理方法 图11-2是智能结构的动作流程图。首先 识别外界参数，通过分析、判断，然后 行动。其中行动是依靠埋入材料中的驱 动元件来实现，它能够自适应的改变结 构形状、刚度、位置、应力状态、固有 频率、阻尼摩擦阻力等。 14 对驱动元件的要求是： （1）驱动元件应能和结构基体材料很 好结合，具有高的结合强度； （2）驱动元件本身的静强度和疲劳强 度要高； （3）激励驱

8、动元件动作的方法要简单 和安全，对结构基体材料无影响，激励 的能量要小； 15 （4）激励后的变形量要大，并能伴随 着产生激励力，而且能够控制； （5）驱动元件在反复激励下，保持性 能稳定； （6）驱动元件的频率响应要宽，响应 速度快，并能控制。 16 正在研究和使用的驱动元件有形状记忆 合金、压电元件、电流变材料、磁致伸 缩材料、磁变流材料、胶体材料等。当 前的驱动元件还不能全部满足上述要求， 只能在几个方面具有特点，也就是每种 驱动元件都有他们的特色，但也存在问 题。 17 （1）提高驱动元件本身的性能，满足上 述六条要求； （2） 改善驱动元件的激励方法； （3） 研究多种激励元件组合使

9、用的方法， 达到取长补短的目的； （4） 研究新型的复合驱动元件； （5）研究驱动元件在材料中的布置方案。 18 传感器、致动器和控制器是智能结构的 重要部分。传感器要求有高度感受结构 力学状态的能力，在振动系统中即能把 位移、速度或加速度等信号转换成电信 号输出，它直接反应实时的振动状态， 所以它必须有足够的可靠性、敏感性和 较高的反应速度，以便能迅速、准确地 得到振动信息；另外，还要求其具有体 积小，易于集成的特点。 19 致动器是执行信息处理单元发出的控制 指令，并按照规定的方式对外界或内部 状态和特性变化作合理的反应，直接将 控制器输出的电信号转变为结构的应变 或位移，具有改变智能结构

10、形状、位置 及其它机械特性的能力。控制器位于结 构之中，由具有控制功能的硬件电路或 电脑芯片与软件组成，是智能结构的神 经中枢。 20 智能结构的设计中首先要明确应用目标， 然后分析控制目标的具体要求，确定智 能结构中复合材料的控制输入和输出的 形式。最关键的问题是必须运用已知材 料的特性、振动理论以及自动控制理论， 建立合理的数学模型，构建控制系统， 并选择有效的控制策略。 21 第三节 智能材料结构中的驱 动元件及形状记忆合金 20世纪90 年代以来，研究方向倾向民用， 特别是智能土建结构的研究与发展，加 速了智能材料与结构的全面发展，这一 时期国际上各种学术研讨会也特别多， 在美国、日本

11、、法国、德国、意大利等 国都召开了学术会议或是专题学术研究 会。 22 3.1智能材料结构中的驱动元件 目前研究投入较多的智能材料的驱动元 件主要有作为执行器的开关记忆材料 （含形状记忆合金、陶瓷、薄膜三个类 型）；压电材料（含压电陶瓷、压电聚 合物）、电致流变体磁致流变体；作为 敏感器的光钎传感器等。利用这些材料 的功能，加上精细的复合设计和制作便 得到聚传感、驱动和控制于一体的智能 材料。 23 压电材料在受到应力作用时会产生电荷 分布，同样在压电材料上外加电压时， 会发生形变，成为逆压电效应，因此压 电材料即可做传感材料又可做执行材料。 压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛 酸钡等和有机聚

12、合物压电材料如片聚二 氟乙烯树脂（PVDF）。在同样单位应 力作用下，有机聚合物压电材料产生的 电场强度要比陶瓷压电材料大若干倍。 同时具有较优良的加工性能，制备智能 材料不受形状的限制，因此有机聚合物 压电材料更适合制备智能材料。 24 压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制 作压电陶瓷纤维。这种压电陶瓷纤维可 与聚氨脂复合制成热释电复合材料、电 光复合材料以及半导体铁电纤维，压电 纤维的主要应用就是制成压电复合材料， 集传感与驱动于一体。 25 3.2 形状记忆材料及性能 形状记忆合金是智能材料结构中最先应 用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一 体。该元件在高温下定形后冷却到低温 并施加变形，

13、从而形成残余形变。当材 料加热时，材料的残余形变消失，并回 复到高温下所固有的形状。 26 再进行加热或冷却时，形状保持不变， 这就是所谓的形状记忆效应(Shape Memory Effect), 就象合金记住了高温状 态的形状一样。具有形状记忆效应的金 属通常是两种以上金属的合金，称为形 状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA.)。 27 材料在高温下制成特定形状，在低温任 意变形，加热时再恢复为高温形状，重 新冷却还保持高温时的形状时，我们称 之为单程记忆效应。例如目前国内商品 化的NiTi形状记忆合金丝，在低温马氏 体组织时，加外力使合金应变8%后， 对材料加热，温

14、度超过马氏体相变点时， 形状回复率可达100。 28 但随着循环次数的增加，形状记忆特性 会衰减，存在一个疲劳寿命。当回复变 形在2以下时，疲劳寿命为105次，对 于埋入构件基体材料中的形状记忆合金 的初始变形很大，但回复量很小，因此 它的疲劳寿命可达107次。 29 对材料进行特殊的处理，使材料能够记 住高温和低温状态的两种形状，即加热 时恢复高温形状，低温时恢复低温形状， 我们称之为双程形状记忆效应或可逆形 状记忆效应。例如对NiTi合金经过一定 的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过 程中能完全回复到变形前的状态，而且 在马氏体相变过程中也会自发地发生形 状变化，回复到马氏体状态的形状，而

15、且反复加热冷却都会出现上述现象。 30 此外还有一些合金称为全方位形状记忆 合金，在冷却到更低的温度，可以出现 与高温时取向相反，形状相同的现象。 NiTi合金的全方位记忆薄片的模式图见 图11-3。将试样在钢管中成型后，在 400500C进行时效处理，去除约束后 的形状如图11-3(a)所示； 31 当试件冷却到Mf时，形状接近直线状 态，如图11-3(b)；冷却到Mf以下时，试 件的形状发生180C翻转，如11-3(c)所 示；加热到Af和 Af以上时，试件就反 向变化成图11-3(d)和(e)的形状。高于Af 的形状(a)和低于Mf 的形状(f)之间是可 逆的。 32 图11-4（a）是

16、一般金属材料的应力应变 曲线，当应力超过弹性极限，卸除应力 后，留下永久变形，不会回复原状；图 11-4（b）是超弹性材料的应力应变曲线， 超过弹性极限后应力诱发母相形成马氏 体，当应力继续增加时，马氏体相变也 继续进行，当应力降低时，相变按逆向 进行，即从马氏体转向母相，永久变形 消失这种现象叫超弹性记忆小效应 （PME）； 33 图11-4（c）是合金母相在应力作用下诱 发马氏体，并发生形状变化，去除应力 后，除弹性部分外，形状并不回复原状， 但通过加热产生逆变，便能恢复原形。 这种现象叫作形状记忆效应（SME）。 34 形状记忆效应是由于马氏体相变造成的。 除钢铁外，大多数合金中的马氏体

17、相变 是可逆的，即冷却时由母相P转变为马 氏体相M，即PM，加热时马氏体相M 又逆向转变为母相P，即MP。根据热 力学观点，母相与马氏体的化学自由能 在T0温度时相等，不发生转变，必须温 度低于T0，母相才有转变为马氏体的趋 势，同时还必须克服非化学自由能增量 和相变时存在的相变阻力，即温度冷到 Ms马氏体相变才开始进行。 35 随着温度下降，马氏体量会逐渐增多， 直到Mf温度时，马氏体转变才终止。同 样理由，马氏体要可逆的转为母相，加 热温度必须高于T0温度，而且要加热至 As温度时，母相才开始形成，直至Af温 度逆变才完成。 36 通常称： Ms 马氏体相变（PM）开始温度； Mf 马氏体

18、相变（PM）终了温度； As 马氏体转变为母相（马氏体逆相 变MP）的开始温度； Af 马氏体相变为母体（马氏体逆相变 MP）的终了温度。 37 形状记忆材料分三类：形状记忆合金， 形状记忆陶瓷和形状记忆薄膜。形状记 忆合金已广泛用于医疗设备、航空、航 天、仪器仪表、机器人、自动控制以及 人造卫星、能量转换等领域。近年来在 陶瓷材料、超导材料以及高分子材料中 发现各具特色的形状记忆效应，引起了 世界各国学者的广泛关注。 38 3.2.1 形状记忆合金 形状记忆合金是研究最早的一种材料， 它的操作功能主要分为5个方面。 （1）单程记忆效应：在低于Mf温度之 下时，加压力样品变形，去掉压力时不 能

19、完全恢复，当加热到Af之上时残存的 形变才能恢复。 （2）双程记忆合金效应，当温度冷却 到Mf之下时自发的形变产生，当温度再 升到Af之上时形变恢复。 39 （3）形变恢复应力，在Mf温度下样品 受压变形，去掉压力，保持在位置上再 加热，这时恢复应力产生。 （4）做功状态，在Mf温度之下样品受 压变形，卸掉压力，再加上重量W，将 样品加热到Af之上，形变应力产生并且 做功，称为功输出。 （5）超弹性或伪弹性效应，在Af温度 之上时，加较大压力时样品变形从A到B， 当压力卸载后样品的形变又完全恢复。 40 形状记忆合金这些特有的功能与外界温 度和内部的马氏体相应密切相关。例如 从高温到低温的滞回

20、线，应力温度的 关系，应力压力的关系，以及应力 压力温度三者之间的关系。 41 目前虽然有许多形状记忆合金体系，但 能够商品化的只有少数几个，如NiTi、 NiTiCu、CuZnAl合金体系，接 近商品化的CuAlNi和FeMnSi合 金体系，而具有潜在应用的体系有Ni Al和NiTiZi合金体系，目前在制备 或性能上还有一些缺陷。在所有形状记 忆合金体系中NiTi合金是最具有使用 价值的，有人做过数百万次实验，发现 其恢复性能仍然保持。 42 1 TiNi形状记忆合金 等原子比的TiNi合金是应用的最早的形 状记忆合金，其中Ni元素的质量分数为 5556。根据使用目的不同可选用适 当的合金成

21、分。它性能优越，稳定性好， 具有特殊的生物相容性，因而得到广泛 的应用,特别在医学与生物上的应用是其 他形状记忆合金所不能替代的。由于合 金成分不同，相变可以有不同路径。 43 在材料使用过程中，表征材料记忆性能 的主要参数包括记忆合金随温度变化所 表现出的形状恢复程度，回复应力，使 用中的疲劳寿命，即经历一定热循环或 应力循环后记忆特性的衰减情况。此外, 相变温度及正逆相变的温度滞后更是关 键参数。而上述这些特性又与合金的成 分成材工艺热处理(包括冷热加工)条件 及其使用情况等密切有关。 44 TiNi记忆合金的相变温度对成分最敏感。 Ni含量每增加0.1%，相变温度会降低 10C。第三元素

22、对TiNi合金相变温度的 影响也极为引人注目。Fe、Co等过渡族 金属的加入均可引起Ms下降。其中Ni被 Te置换后，扩大了R相稳定的温度范围， 使R相变更为明显。用Cu置换Ni后，Ms 变化不太大，但形状记忆效应却十分显 著，因而可以节约合金成本。并且由于 减少相变滞后，使该类合金具有一定的 使用价值。 45 为获得记忆效应,一般将加工后的合金材 料在室温加工成所需要的形状并加以固 定，随后在400-500之间加热保温数分钟 到数小时(定形处理)后空冷，就可获得 较好的综合性能。 对于冷加工后成形困难的材料，可以 在800以上进行高温退火，这样在室温 极容易成形，随后于200-300保温使之

23、定 形.此种在较低温度处理的记忆元件及形 状回复特性较差。 46 富Ni的TiNi合金需要进行时效处理,一则 为了调节材料的相变温度,二则可以获得 综合的记忆性能.处理工艺基本上是在 800-1000固熔处理后淬入冰水,再经400- 500时效处理若干时间(通常为500 1小时). 随着时效温度的提高或时效时间的延长, 相变温度Ms相应下降.此时的时效处理 就是定型记忆过程。 47 为了使合金式样反复多次的在升温和降 温中可逆的发生形状变化(即双向记忆), 最常用的方法是进行记忆训练(又称锻 炼)。首先如同单向记忆处理那样获得记 忆效应,但此时仅可记忆高温相的形状。 随后在低于Ms温度,根据所

24、需的形状将 试件进行一定限度的可以回复的形状。 48 加热到Af以上温度,试件回复到高温态形 状后,降温到Ms以下,再变形试件使之成 为前述的低温所需形状,如此反复多次后, 就可获得双向记忆效应,在温度升降过程 中,试件均可自动的反复记忆高低温时的 二种形状。这种记忆训练实际上就是强 制变形。 49 对于Ti-51%(原子分数)Ni合金不仅具有 双向记忆性能,而且在高温与低温时,记 忆的形状恰好是完全逆转的。这是由于 与基体共格的Ti11Ni14析出相产生的某 种固定的内应力所致。 50 无论上述何种记忆处理,为了保持良好的 形状记忆特性,其变形的应变量不得超过 一定值,该值与元件的形状、尺寸

25、、热处 理条件、循环使用次数等有关,一般为6 (不包括全方位记忆处理).同时在使用 中,在形状记忆合金受约束状态下,要避 免过热,也即记忆高温态的温度只需稍高 于Af温度即可。 51 2. 铜基形状记忆合金 尽管形状记忆合金具有强度高、塑性大、 耐腐蚀性好等优良性能,但由于成本约为 铜基记忆合金的十倍而使之应用受到一 定限制。因而近二十年来铜基形状记忆 合金的应用较为活跃,但需要解决的主要 问题是提高材料塑性改善对热循环和反 复变形的稳定性及疲劳强度等。 52 铜基形状记忆合金的相变温度对合金成 分和处理条件极敏感。例如Cu-14.1Al- 4.0Ni合金在1000固熔后分别淬入温度为 10与

26、100介质中,其合金的Ms对应为-11与 60。因此实际应用中,可以利用淬火速度 来控制相变温度。 53 无论是CuZnAl还是CuAlNi合金,相变温 度对Al含量都很敏感。 CuAlNi等铜基合金在反复使用中，较易 出现试样断裂现象，其疲劳寿命比NiTi 合金低2-3个数量级。 54 其原因是铜基合金具有明显的各相异性。 在晶体取向发生变化的晶界面上，为了 保持应变的连续性，必会产生应力集中， 而且晶粒越粗大，晶面上的位移更大， 极易造成沿晶开裂。目前在生产中，已 通过添加Ti、Zr、V、B等微量元素，或 者采用急冷凝固法或粉末烧结等方法使 合金晶粒细化，达到改善合金性能的目 的。 55

27、3. 铁基形状记忆合金 早期发现的铁基形状记忆合金FePt和 FePd等由于价格昂贵而未能得到应用。 直到1982年有关FeMnSi记忆合金研究论 文的发表，才引起材料研究工作者极大 的兴趣。尤其由于铁基形状记忆合金成 本低廉、加工容易，如果能在回复应变 量小、相变滞后大等问题上得到解决或 突破，可望在未来的开发应用上有很大 的进展。 56 铁基形状记忆合金的最大回复应变量为 2，超过此形变量将产生滑移变形， 导致马氏体与奥氏体界面的移动发生 困难。 具有形状记忆效应的合金系已达二十多 种，但其中得到实际应用的仅集中在 TiNi合金与CuZnAl合金，CuAlNi及 FeMnSi系记忆合金也在

28、开发应用中。 57 这些合金由于成分不同，生产和处理工 艺的差异，其性能有较大的差别。即使 同一合金系，成分的微小差别也会导致 使用温度的较大起伏。在记忆元件的设 计、制造及使用中，不仅关心材料的相 变温度，还必须考虑其回复力、最大回 复应变、使用中的疲劳寿命及耐腐性能 等。 58 一般来说，TiNi合金记忆特性好，但价 格昂贵。铜基记忆合金成本低，有较好 的记忆性能，但稳定性较差，而FeMnSi 系合金虽然价格便宜、加工容易，但记 忆特性稍差，特别是可回复应变量小。 因此实际应用要综合考虑材料的用途、 使用环境、使用方法及成本等各因素， 以便选取合适的形状记忆合金。例如要 求性能稳定，需要反

29、复使用的较精密的 元件，一般采用TiNi合金，而对于象火 警警报器等只需一次动作的元件就往往 选用CuZnAl合金。 59 3.2.2 形状记忆陶瓷 近几年来人们又开发出形状记忆陶瓷， 可在电场作用下发生形变。与形状记忆 合金相比，这种材料由于电场改变速度 和范围比温度大的多，因而影响速度快， 使用范围宽，不足之处是应变范围还不 够大（0.081%），但这也许适合某些 特定的场合。 60 形状记忆陶瓷的结构图如图11-5所示。 它是典型的钙钛矿结构，点阵结构为E2 型，空间群为O12，一般分子式为ABO3， A和B为金属离子，这里A是（Pb2+） B(Zr4+、Ti4+)离子。 61 通过调整

30、温度和A、B的组成钙钛矿晶体 的形状会发生改变，如图11-6所示。不 同量的离子置换PZT时产生相变，四面 体结构和六面体结构均为铁电相，而八 面体结构为反铁电相，当施加电场时会 诱使反铁电相转变铁电相，从而产生应 力。当铁电体至于电场中时，由于材料 的极化导致应力的产生，对于反铁电体， 由于内部含有两个极性相反的区域，宏 观极性抵销，当施加电场时，只有很小 的应力产生。 62 如果反铁电体相的组成接近铁电相的组 成，施加一个大电场，就可以使反铁电 相转变为铁电相，相变伴随着晶格变形， 导致净体积增长，产生形变，相变形式 如下： AFE 电场 FE 当电场降低，材料回复到原始状态还是 保持铁电

31、相状态，取决于材料的确切组 成，一般在相图边界线上的亚稳态比较 容易形成形状记忆陶瓷。 63 形状记忆陶瓷主要用于在空间光学望远 镜的自适应调整上，图117为镜面调 整示意图，可用在哈伯望远镜、日冕仪 等，另外形状记忆陶瓷还有希望用作能 量储存执行元件。 64 3.2.3 形状记忆薄膜 形状记忆合金薄膜有较大的比表面和较 高的响应速度。主要采用溅射或电化学 方法制备Ti-Ni、CuZn、AuCd等 薄膜。形状记忆合金薄膜具有一些潜在 的应用，如可能应用在智能结构的阻尼 器，微机械手、微弹簧中。 65 3.3 形状记忆合金的应用 从20世纪70年代开始形状记忆合金得到 真正的应用，至今已有二十多

32、年，应用 领域极广，从精密复杂的机器到较为简 单的连接件、紧固件，从节约能源的形 状记忆合金发动机到过电流保护器等处 处都可反映出形状记忆合金的奇异功能 及简便、小巧、灵活等特点。 66 用作连接件，是记忆合金用量最大的一 项用途。选用记忆合金作管接头可以防 止用传统焊接所引起的组织变化，更适 合于严禁明火的管道连接，而且具有操 作简便，性能可靠等优点。 67 用作控温器件的记忆合金丝被制成圆柱 形螺旋弹簧作为热敏驱动元件。其特点 时利用形状记忆特性，在一定温度内， 产生显著的位移或力的变化。再配以用 普通弹簧丝制成的偏压弹簧就可使阀门 往返运动。也就是具有双向动作的功能。 当温度降低时，偏压

33、弹簧压缩形状记忆 弹簧，使阀门关闭，从而产生周而复始 的循环。目前，我国已在热水器等设备 上装有CuZnAl记忆元件。 68 利用偏压弹簧使形状记忆元件具有双向 动作功能的还有机器人手臂、肘、腕、 指等动作、电流断路器、自动干燥箱以 及空调机风向自动调节器等。上述元件 都是利用形状记忆合金在回复到高温态 时强度高，而在低温马氏体相态下较软 的特性，在低温时，借助偏动弹簧的弹 力使之变形。设计中，记忆元件与偏动 弹簧不一定在同一轴上，根据需要以不 同方式、不同角度配合以完成特定的往 返动作需要。 69 形状记忆合金作为机械执行器的主要优 点有： （1）机械结构简单、紧凑、安全、常 见的结构有丝状

34、和螺圈状。 （2）在无重力的工作条件下能产生清 洁、静音的无火花的操作，特别适合航 天航空领域。 70 （3）高的能/重比，在比较了所有的执 行器机械后人们得出结论，在低重力情 况下（100g），形状记忆合金执行器 能提供最大的能/重比，形状记忆合金在 低重量范围内的能/ 重比远高于其他执 行器。这意味着形状记忆合金非常适于 微执行技术。 （4）高阻尼性能，在冲击波和震动能 量下，SMA的阻尼效率高达90%。 71 工业上常用形状记忆合金作开关，用于 电路冷却阀门、火警探测系统、阻尼装 置等。 医学上主要利用形状记忆合金的超弹性 性质，最成功的应用是用于牙科矫正术 上的正牙线上，它可以在歪斜的

35、牙上产 生很小的而又持续的力使歪牙扶正。 72 用于医学领域的记忆合金除了具备所需要 的形状记忆或超弹性特性外，还必须满足 化学和生物学等方面可靠性的要求。一般 植入生物体内的金属在生物体液的环境中 会溶解成金属离子，其中某些金属离子会 引起癌病、染色体畸形等各种细胞毒性反 应，或导致血栓等，总称为生物相容性差。 只有那种与生物体接触后会形成稳定性很 强的钝化膜的合金才可以植入生物体内。 在现有的实用记忆合金中，经过大量实验 证实，仅TiNi合金满足上述条件。因此 TiNi合金是目前使用的唯一的记忆合金。 73 TiNi合金在医学上应用较广的有口腔牙 齿矫形丝以及外科中各种矫形棒、骨连 接器、

36、血管夹、凝血虑器等。近年来血 管扩张元件等应用也见报道。 74 牙齿矫形丝是利用TiNi合金相变伪弹性 特点，使合金丝处理成超弹性丝。由于 应力诱发马氏体相变使弹性模量成非线 性变化，当应变增大时，矫正力却增加 不多。因此佩带娇正丝时，即使产生很 大的变形也能保持适宜的矫正力，不仅 操作方便，疗效好，而且可减轻患者的 不适感。TiNi合金的超弹性功能使应变 高达10仍不会发生塑性变形。 75 图118 是用于矫形丝的各种材料的负 载与变形曲线。由对比可见，传统用的 不锈钢和CoCr合金的弹性系数大，相对 于很小的变形就需要较大的负载，而且 产生明显的永久变形。TiNi合金丝明显 优于前者。 7

37、6 脊柱侧弯矫形用哈氏棒通常是用不锈钢 制成，但由于植入人体后以及在随后使 用中，矫正力明显下降，甚至在半个月 后下降55，故通常必须进行再次手术 以调整矫正力，使患者在精神上、肉体 上承受较大痛苦。 77 改用形状记忆合金只需一次安放固定手 术。一般是将TiNi合金棒记忆处理成直 棒，然后在Ms以下温度（通常是冰水） 弯成与人体畸形脊柱相似的形状（弯曲 应力小于8），立即安放于人体内并 加以固定。手术后通过体外加热使温度 高于体温510，这时TiNi合金棒逐渐 回复到高温相状态，产生足够的矫正力。 78 其它如骨折、骨裂等所需要的固定钉或 固定板都是将TiNi合金的Af温度定在体 温以下。先

38、将合金板（或合金钉等）按 所需形状记忆处理定形，在手术时，将 定形板在冰水中（Ms）变形成便于手 术安装的形状，植入所需部位固定，靠 体温回复固定板形状。用记忆合金固定 骨折等环患处，患者痛苦少，功能恢复 快，是非常行之有效的方法。 79 形状记忆合金更多的潜在应用是埋置在 材料里组成智能复合材料，如美国把在 F16战斗机机翼上。用于自修复功能， 在机器人上用来制造人造肌肉。 80 第四节 智能材料的应用 首先开展智能材料结构研究的是美国军 界，约在1984年美国陆军科研局就旋翼 飞行器技术研究给于赞助，研究内容是 减小旋翼桨叶的振幅和扭曲。美国空军 着重于航空和航天飞行器智能表层的研 究，将

39、该项目落实在美国空军科研项目 预测中，被认为是急需发展的，有创 始性的项目，美国空军莱特研究和发展 中心的航空设备实验室又规划了智能表 层的发展路线图。 81 1988年以后，美国各大学和航空航天机 构的公司、研究所都参与研究，他们设 计的面很广，并且取得创造性的进展。 同时美国国防部FY92_FY96的边缘科学 研究规划（即代号UR1）及陆军科研局 和海军科研局都给于智能材料与结构探 索者赞助。 82 UR1资助课题包括材料科学、结构方程、 单一和复合智能结构的数学模型、驱动 器、传感器、控制系统和处理方法、多 体结构动力学、结构识别以及气动弹性 修正等。陆军科研局的规划则着重于旋 翼飞行器和地面运输装置，例如减小结 构件的振动和增大气动力学稳定性，加 强旋翼飞行器的控制能力和损伤的检测， 减轻和修理损伤部分。海军规划则着重 于水中潜艇噪声强度的控制。 83 智能材料结构技术很快被土木工程、